МНОГОЛУЧЕВОЙ КЛИСТРОН Российский патент 2023 года по МПК H01J25/10 

Изобретение относится к электровакуумным микроволновым приборам, а именно к многолучевым клистронам (МЛК).

Современные клистроны применяются в ускорителях различного назначения. Одна из главных задач в разработке таких приборов - достижение высокой выходной мощности при невысоком напряжении питания.

Задача повышения выходных мощностей решается путем увеличения числа лучей и их тока, а также повышением эффективности взаимодействия электронного потока с полями резонаторной системы.

Традиционные многолучевые клистроны (МЛК) с параллельными лучами и тороидальными или кольцевыми резонаторами позволяют достигать высоких и сверхвысоких выходных мощностей, однако имеют значительные габариты и ряд других существенных недостатков.

Недостатками этих решений является то, что в традиционных многолучевых клистронах с параллельными лучами и тороидальными резонаторами диаметр области взаимодействия (и диаметр катода) не превышает половину рабочей длины волны (~λ/2), что лимитирует число лучей. В приборах с кольцевыми резонаторами число лучей ограничено допустимыми размерами катода и сгущением спектра собственных колебаний резонаторов. В обоих случаях увеличение токов лучей также лимитировано из-за плотного расположения парциальных катодов и ограничения плотности токоотбора требованиями по долговечности.

С целью повышения выходной мощности предлагается новая конструкция многолучевого клистрона.

Техническим результатом предлагаемого изобретения является получение высокой выходной мощности при невысоком напряжении питания, улучшение массогабаритных характеристик, увеличение срока службы прибора.

Технический результат достигается тем, что в многолучевом клистроне, содержащем электронные пушки, входной, промежуточные и выходной кольцевые резонаторы, узлы ввода и вывода энергии, магнитную фокусирующую систему, коллектор; пролетные каналы расположены в одной плоскости и сходятся по радиусам к центру клистрона; однолучевые электронные пушки расположены равноудаленно по периферии клистрона соосно с каналами; кольцевые резонаторы клистрона расположены соосно в одной плоскости и содержат зазор взаимодействия и дополнительный зазор, расположенный вне области каналов, причем, в стенке дополнительного зазора выполнены щели связи, расположенные параллельно оси кольца резонатора и связывающие резонатор с кольцевой полостью, в которой расположен поглощающий СВЧ-материал, при этом пролетные каналы в области выходного резонатора и коллектора могут быть объединены в единый кольцевой пролетный канал.

Сущность технического решения заключается в следующем. Расположение пролетных каналов вдоль радиусов кольцевых резонаторов позволяет разместить по периферии клистрона электронные пушки с катодами с большей эмиссионной поверхностью, что дает возможность либо увеличить общий ток и выходную мощность без роста напряжения, либо при заданной мощности увеличить общий ток, уменьшив напряжение, либо при заданном токе и напряжении уменьшить плотность тока эмиссии и повысить срок службы прибора. Появляется возможность использования большого числа лучей для достижения высокой мощности при небольших размерах парциальных катодов электронных пушек.

Расположение пролетных каналов в одной плоскости приводит к уменьшению перепада неоднородности электромагнитного поля в зазорах кольцевых резонаторов, как следствие повышается эффективность электронно-волнового взаимодействия и выходные характеристики клистрона; расположение кольцевых резонаторов соосно в одной плоскости уменьшает поперечный размер конструкции, а продольный задается геометрией входного резонатора, что влечет уменьшение массогабаритных характеристик прибора.

Использование однолучевых электронных пушек облегчает транспортировку электронного потока, кроме того, уменьшает требования на габариты магнитной системы, повышает срок службы.

Наличие одновременно зазора взаимодействия и дополнительного зазора, расположенного вне области каналов, причем в стенке дополнительного зазора выполнены щели связи, расположенные параллельно оси кольца резонатора и связывающие резонатор с кольцевой полостью, в которой расположен поглощающий СВЧ-материал, позволяет работать на высшем Н₀₀₂ типе колебания электромагнитного поля в резонаторах и осуществить селекцию типов колебаний, тем самым обеспечив эффективную работу клистрона.

Сформированные однолучевыми пушками электронные потоки проходят входной и промежуточные резонаторы в индивидуальных пролетных каналах. В зависимости от количества пушек и их расположения с внешней стороны входного резонатора, электронные потоки при влете в область выходного резонатора могут пройти либо через индивидуальные пролетные каналы - традиционная конструкция многолучевого клистрона, либо могут пересечься, тем самым пройдя через единый кольцевой зазор - предлагаемая конструкция многолучевого клистрона, где отработанный сгруппированный поток выводится из области резонаторной системы.

Изобретение поясняется чертежами. На фиг. 1 (вид сбоку) и фиг. 2 (вид сверху) представлена конструкция клистрона с радиальным расположением лучей, где 1 - электронные пушки, 2 - входной кольцевой резонатор, 3 - ввод энергии, 4 - промежуточные резонаторы (в данном случае три), 5 - выходной кольцевой резонатор, 6 - вывод энергии, 7 - магнитная система, 8 - коллектор, 9 - отверстия пролетных каналов, 10 - поглотитель СВЧ-колебаний, 11 - дополнительный зазор. На фиг. 3 представлено распределение собственной добротности соседних с рабочим типов колебаний. На фиг. 4 представлено распределение первой гармоники сгруппированного тока.

Прибор работает следующим образом. Однолучевые электронные потоки формируются индивидуальными электронными пушками 1, расположенными по периферии прибора, и попадают в пролетные каналы 9. Фокусировка электронных потоков осуществляется магнитным полем, направленным по радиусам, создаваемым магнитной системой 7. Через ввод энергии 3 входной сигнал попадает во входной кольцевой резонатор 2 и модулирует электронные потоки по скорости. При прохождении набора промежуточных резонаторов электронные потоки группируются и попадают в выходной резонатор 5 через общее отверстие единого пролетного канала, где отдают свою энергию полю общего выходного резонатора. Через вывод энергии 6 осуществляется отбор мощности из резонатора в нагрузку. Отработанные электроны после прохождения выходного резонатора попадают в область единого коллектора 8, где распределяются на большую площадь.

Расположение щелей связи поглощающего СВЧ-материала с кольцевым резонатором выбрано таким образом, чтобы они практически не влияли на электромагнитное поле аксиально-симметричного типа колебания, для которого токи в месте расположения дополнительного зазора направлены вдоль оси кольца резонатора и не пересекают щели связи. В то время как паразитные типы колебаний с азимутальной компонентой тока, пересекающую щель, имеют сильную связь с поглощающим СВЧ-материалом, что сильно уменьшает добротность этих колебаний (фиг. 3).

Пример

Анодный блок клистрона состоит из пяти сверхразмерных кольцевых резонаторов: входного (2), трех промежуточных (4), выходного (5) (фиг. 1, фиг. 2), изготовленных из меди, и работающих на типе колебания Н₀₀₂. Поглощающий СВЧ-материал (10) - керамика ПКМ35Ж - с параметрами ε=28 и tgδ=0.5. За одинаковыми для всех кольцевых резонаторов клистрона щелями связи размерами 4×14 мм расположены кольца с одинаковым сечением 5×14 мм из поглощающего СВЧ-материала, но разным внутренним диаметром 464 мм (входной резонатор 2), 394 мм (первый промежуточный резонатор 4), 324 мм (второй промежуточный резонатор 4), 254 мм (третий промежуточный резонатор 4), 184 мм (выходной резонатор 5). В качестве источника электронов (1) выбрана экранированная сферическая пушка Пирса со сходящимся потоком, за счет небольшой плотности токоотбора с катода (менее 10 А/см²), ожидаемая долговечность составляет более 5000 часов.

Для случая функционирования сверхмощного многолучевого клистрона в S-диапазоне длин волн, было проведено моделирование распределения электромагнитных полей и оптимизация геометрии кольцевых сверхразмерных резонаторов методом конечных элементов с помощью современных специализированных программ. Согласно расчетам (фиг. 3), введение в кольцевых резонаторах в области дополнительного зазора полости с СВЧ-поглотителем снижает добротности всех азимутально-несимметричных типов колебаний, не влияя на добротность рабочего, аксиально-симметричного типа. Таким образом осуществляется селекция колебаний сверхразмерного резонатора.

Расчет многолучевого клистрона был проведен с 72 парциальными электронными лучами с током 11.2 А. Зависимость первой гармоники сгруппированного тока в клистроне в единицах электронных длин волн представлена на фиг. 4. Видно, что максимум группированного тока находится в центре зазора выходного резонатора, соответственно эффективность взаимодействия электронного потока с полями резонаторной системы максимальна.

В таблице 1 представлены параметры отечественных импульсных многолучевых клистронов и заявленного устройства в S-диапазоне волн.

Анализ полученных результатов дает основание утверждать, что использование предложенной конструкции многолучевого клистрона позволяет получить высокую выходную мощность при относительно невысоком напряжении питания, улучшить массогабаритные характеристики, что подтверждает достижение заявленного технического результата.

Изобретение относится к электровакуумным микроволновым приборам, а именно к многолучевым клистронам (МЛК). Технический результат - повышение высокой выходной мощности при невысоком напряжении питания, улучшение массогабаритных характеристик, увеличение срока службы прибора. В многолучевом клистроне пролетные каналы расположены в одной плоскости и сходятся по радиусам к центру клистрона; однолучевые электронные пушки расположены равноудаленно по периферии клистрона соосно с каналами; кольцевые резонаторы клистрона расположены соосно в одной плоскости и содержат зазор взаимодействия и дополнительный зазор, расположенный вне области каналов. В стенке дополнительного зазора выполнены щели связи, расположенные параллельно оси кольца резонатора и связывающие резонатор с кольцевой полостью, в которой расположен поглощающий СВЧ-материал. Пролетные каналы в области выходного резонатора и коллектора могут быть объединены в единый кольцевой пролетный канал. 4 ил.

Многолучевой клистрон, содержащий электронные пушки, входной, промежуточные и выходной кольцевые резонаторы, узлы ввода и вывода энергии, магнитную фокусирующую систему, коллектор, отличающийся тем, что пролетные каналы расположены в одной плоскости и сходятся по радиусам к центру клистрона; однолучевые электронные пушки расположены равноудаленно по периферии клистрона соосно с каналами; кольцевые резонаторы клистрона расположены соосно в одной плоскости и содержат зазор взаимодействия и дополнительный зазор, расположенный вне области каналов, причем в стенке дополнительного зазора выполнены щели связи, расположенные параллельно оси кольца резонатора и связывающие резонатор с кольцевой полостью, в которой расположен поглощающий СВЧ-материал, при этом пролетные каналы в области выходного резонатора и коллектора объединены в единый кольцевой пролетный канал.